Aurinkopaneelien testausjärjestelmä

AURINKOPANEELIEN TESTAUSJÄRJESTELMÄ

Opinnäytetyö Ari Tanninen

Automaatiotekniikan koulutusohjelma

Hyväksytty: __________________________________________________________

SAVONIA-AMMATTIKORKEAKOULU, VARKAUDEN YKSIKKÖ

Koulutusohjelma

Automaatiotekniikan koulutusohjelma

Tekijä

Ari Tanninen

Työn nimi

Aurinkopaneelien testausjärjestelmä

Työn laji Päiväys Sivumäärä

Insinöörityö 15.9.2009 46+15

Työn valvoja Yrityksen yhdyshenkilö Yritys

Jorma Honkanen Tero Jankko Savonia-amk

Tiivistelmä

Tämä insinöörityö tehtiin Savonia-ammattikorkeakoulun Varkauden yksikössä. Työn tavoitteena oli kehittää ja modernisoida aurinkopaneelien testausjärjestelmä käyttäen apuna National Instrumentsin FieldPoint -mittauslaitteistoa ja LabVIEW -ohjelmointiympäristöä. Testausjärjestelmän tavoitteena on saada luotettavia teho- ja energiamittauksia aurinkopaneelijärjestelmistä. Lisäksi testausohjelman on selviydyttävä mahdollisista virhe- ja häiriötilanteista.

Työssä rakennettiin mittausjärjestelmä, jolla voidaan testata rinnan ja sarjaan kytkettyjä

aurinkopaneelistoja. Aurinkopaneelien jännite voidaan mitata mittausalueella 0-110 V ja niiden tuottama virta alueella 0-10 A. Pyranometri toimii mitta-alueella 0-2600 W/m². Aurinkopaneelit voidaan kytkeä sarjaan tai rinnan erillisen valintakytkimen avulla.

Mittausjärjestelmää varten rakennettiin LaSol -niminen tietokoneohjelma National Instrumentsin LabVIEW 8.5 -ohjelmointiympäristössä. Ohjelma mittaa aurinkopaneeleilta tulevaa jännitettä ja virtaa sekä säteilyn intensiteettiä FielPoint -laitteistolla. Saaduista mittaustiedoista LaSol-ohjelma tekee kolme kuvaajaa, joista ensimmäinen näyttää vuorokauden aikana mitatut hetkelliset tehot ja auringon säteilynintensiteetit. Toinen kuvaaja näyttää vuorokauden aikana tuotetut energiat ja kolmas

kuukauden aikana tuotetut energiat. Lisäksi LaSol-ohjelma näyttää online-mittauksena tämän hetkisen jännitteen, virran, tehon, säteilyn intensiteetin, kertyneen energian sekä auringonsäteilyn ja tehon suhdeluvun. LaSol -ohjelma tallentaa mittaukset Excel -tiedostoihin.

LaSol -ohjelman käyttöliittymässä on pyritty selkeyteen ja helppokäyttöisyyteen. Käyttöliittymässä tärkeimmät mittaukset on esitetty selkeästi ja aurinkopaneelijärjestelmän toimintakunto on

havaittavissa siitä nopeasti. Mahdollisiin FieldPoint -laitteiston katkoksiin LaSol -ohjelma vastaa sytyttämällä käyttöliittymässä olevan ledin kyseisen mittauksen virhetilanteista.

Avainsanat

Aurinkopaneeli, pyranometri, National Instruments, FieldPoint, LabVIEW, jännitteenmittaus, virranmittaus.

Luottamuksellisuus

SAVONIA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES, BUSINESS AND ENGINEERING, VARKAUS Degree Programme

Automation Technology

Author

Ari Tanninen

Title of Project

Testing a System for Solar Panels

Type of Project Date Pages

Final Project 15.9.2009 46+15

Academic Supervisor Company Supervisor Company

Jorma Honkanen Tero Jankko SUAS

Abstract

This thesis was made at Savonia University of Applied Sciences. The main goal of the thesis was to develop and modernize the solar panel testing environment using FieldPoint measuring systemof the National Instruments and the LabView programming environment. The objective of the testing system is to get accurate power and energy measurements from the solar panel systems. In addition, the testing program should cope with possible breakdowns and error conditions.

A measurement system was built in this project which can be used to test solar panels which are connected in series or in parallel. The voltage of the solar panels can be measured in the range of 0 - 110 V and the current in the range of 0 – 10 A. The intensity of sunlight can be measured with a pyranometer in the range of 0 - 2600 W/m². The solar panels can be connected in series or in parallel by using a separate switch.

A program called LaSol was made in LabView programming environment. The program measures the values of current, voltage and sunlight intensity by using the FieldPoint measuring system. LaSol program makes three different diagrams from the measurement values. The first diagram shows the present power and the present sunlight intensity. The second diagram shows the energy produced during 24 hours and the third diagram shows the energy produced during a month. The LaSol program saves the measurement data in Excel files.

The user interface of the LaSol program is designed to be simple and easy to use. The operation of the solar panels can be easily confirmed by checking the user interface. A LED in the interface of the LaSol program shows an error condition of a certain measurement.

Keywords

Solar panel, Pyranometer, National Instruments, FieldPoint, LabVIEW, Current measurement, Voltage measurement.

Confidentiality

1 Johdanto ...4

2 Aurinkopaneelit ...5

2.1 Aurinkopaneelin toimintaperiaate... 5

2.2 Aurinkopaneelin ominaiskäyrä... 7

2.3 Aurinkopaneelin teho ja energia... 8

3 Virran ja jännitteen mittaaminen...9

3.1 Jännitteen mittaaminen ... 9

3.2 Virran mittaaminen... 11

4 Mittausjärjestelmät ...13

4.1 Signaalin kulku tietokoneelle... 13

4.2 Tietokonepohjaiset mittausjärjestelmät ... 13

4.3 Modulaariset mittausjärjestelmät... 14

5 Laitteisto ja ohjelmisto...15

5.1 NI FieldPoint 1600 Ethernet -moduuli ... 16

5.2 NI FP-AI-110 -moduuli ... 17

5.3 UPAC ja EM-M11A -mittamuuntimet ... 17

5.4 Kipp&Zonen CM3 pyranometri ... 18

5.5 Aurinkopaneelit ... 19

5.6 LabVIEW ... 20

5.7 NI Measurement & Automation Explorer ... 20

6 Mittausten toteutus aurinkopaneelijärjestelmässä ...21

6.1 Mittauskytkennät ... 23

6.2 Aurinkopaneelijärjestelmän sijainti ... 26

7 LaSol aurinkopaneelien testausohjelma...28

7.1 LaSol -ohjelman toimintaperiaate ... 29

7.2 Kuvaajat ... 29

7.2.1 Hetkellinen teho sekä auringonsäteilyn intensiteetti kuvaaja ...30

7.2.2 Vuorokausittainen energiakuvaaja ...31

7.2.3 Kuukausittainen energiakuvaaja...31

7.3 LaSol -ohjelman käyttöliittymä... 32

7.4 LaSol -ohjelman rakenne... 34

7.4.1 Mittaustiedon saaminen NI FieldPoint laitteistolta ...34

7.4.2 Laitteiston vikatilanteiden käsittely...35

7.4.3 Excel -tiedostojen tallennus ja mittausten esittäminen ...36

7.4.4 Valikon toiminnot ...41

7.5 Virhetilanteet ... 41

8 Kalibrointi...42

8.1 Aurinkopaneelien jännitteen mittauksen kalibrointi ... 42

8.2 Aurinkopaneelien virran mittauksen kalibrointi ... 43

9 Yhteenveto...44 SISÄLLYS

1 Johdanto

Eri kulttuureissa on auringolle ollut omat jumalansa ja auringon arvo maailmalle on tiedetty pitkään. Auringon tuottama energia on mahdollistanut elämän maapallolla ja jokainen ihminen voi tuntea sen ihollaan. Aurinkoenergiassa on myös suuri

mahdollisuus energian tuottoon. Aurinkoenergiaa voidaan kerätä talteen sen tuottaman lämmön tai säteilyn avulla.

Aurinkopaneelien viimeaikainen kehitys on ollut nopeaa, ja markkinoilla on useiden eri valmistajien tuottamia aurinkopaneeleita. Tämän lisäksi on useita eri valmistus-

menetelmään perustuvia aurinkopaneelityyppejä kuten yksikiteinen, monikiteinen ja amorfisesta piistä valmistetut mallit. Tämä aiheuttaa kuluttajalle ongelman: Suomen vaihtelevissa ja vaativissa olosuhteissa, aurinkopaneeleista ei ole käytännön tietoa.

Aurinkopaneelien testaus on tarpeellista, jotta saadaan selville, soveltuuko aurinkopaneelityyppi olosuhteisiimme.

Tämän insinöörityön tarkoituksena oli kehittää aurinkopaneelien testausjärjestelmää Savonia-ammattikorkeakoulun Varkauden yksikköön. Aikaisempi aurinkopaneelien testausjärjestelmä ei enää ollut toimintakunnossa, sillä National Instrumentsin LabVIEW -ohjelmisto oli päivittynyt versioon 8.5 eikä tämä ollut enää yhteensopiva versiolla 5 tehtyyn ohjelmistoon. Tämän lisäksi aurinkopaneelijärjestelmä on tarkoitus uusia modernimmaksi.

Aurinkopaneelien mittausjärjestelmä on tarkoitus toteuttaa National Instrumentsin mittausjärjestelmällä ja mittausohjelmisto tehdä LabVIEW -ohjelmointiympäristössä.

Tavoitteena on saada joustava ja toimintavarma mittausjärjestelmä, jolla tiedonkeruu saadaan nopeasti aikaan ja kaikki tiedot talletettua myöhempää tarkastelua varten.

Lisäksi käyttöliittymän pitäisi olla selkeä ja ilmaista helposti mittausten toiminta.

Mittausjärjestelmän toteutuksessa on tarkoitus ottaa huomioon mahdolliset

häiriötilanteet, kuten katkokset ja häiriöt FieldPoint -laitteistossa. Oma osansa häiriöitä ovat sähkökatkokset. Mahdolliset häiriöt eliminoimalla voidaan toteuttaa luotettava ja toimintavarma mittausjärjestelmä.

2 Aurinkopaneelit

Aurinkopaneelijärjestelmiä suunnitellessa on syytä tutustua aurinkopaneelin toimintaan ja teoriaan. Luvussa 2 käsitellään pääpiirteittäin aurinkopaneelin toimintaperiaate ja yleisimmät ominaisuudet. Tämän lisäksi luvussa käsitellään keskeisiä aurinkopaneelin mitoitukseen ja paneelilta mittaamiseen liittyviä asioita.

2.1 Aurinkopaneelin toimintaperiaate

Aurinkopaneeli on aurinkokennoista muodostuva kokonaisuus, jonka pääasiallinen tarkoitus on muuttaa auringon tuottama valo sähköksi. Valo on sähkömagneettisen spektrin ihmissilmällä nähtävä osa. Aalto-hiukkasdualismin vuoksi valolla on hiukkasten ja aaltojen ominaisuudet. Valo etenee valokvantteina eli fotoneina.

[1],[2],[3]

Kuva 1.Aurinkokennon toiminta. [1]

Aurinkokennossa saapuva auringonvalo eli fotonit synnyttävät absorboivaan

puolijohteeseen varauksen kuljettajia eli elektroni-aukko pareja. Elektronit kerätään johtimiin ja ne voidaan viedä sähkölaitteeseen tai varastoida akkuun. [2]

Aurinkokennojen pääasiallisin valmistusmateriaali on pii (Si). Piitä käytetään

aurinkopaneelien materiaalina yksi- ja monikiteisenä tai amorfisena muotona. Kiteiset piikennot ovat noin 0,2 – 0,3 mm paksuja ja pinta-alaltaan 90 -160 mm x 120 -160 mm.

Yksikiteiset piikennot on sahattu yhtenäisestä pyöreistä piiaihioista. Koska raaka-aine on kallista, ei aihiota leikata neliskanttiseksi. Tämän vuoksi yksikideaihiossa on aukot kennojen kulmissa. [1]

Monikiteisiä aihioita voidaan tehdä neliskulmaisista aihioista. Tällöin raaka-aine voidaan käyttää tarkemmin hyödyksi. Amorfisista piistä tehdyt kennot ovat taipuisia ja niiden valmistuskustannukset ovat edullisemmat. Haittana amorfisille piikennoille on hyötysuhteen jääminen pienemmäksi kuin kiteisissä kennoissa.[1]

Kuva 2.Kennot vasemmalta oikealla ovat: monikiteinen piikenno, yksikiteinen piikenno ja amorfisesta piistä valmistettu paneeli.

2.2 Aurinkopaneelin ominaiskäyrä

Aurinkopaneelin ominaiskäyrä ilmoittaa sen virran ja jännitteen arvon, jonka sisällä aurinkopaneeli voi toimia. Ominaiskäyrää tarvitaan tutkittaessa paneelien paremmuutta.

[4],[5]

Kuva 3.Aurinkopaneelin ominaiskäyrä. [4,s.1]

Aurinkopaneelin tuottamaa enimmäisvirtaa kutsutaan oikosulkuvirraksi (ISC), eli käytännössä tämä tarkoittaa sitä virtaa, mikä muodostuu, kun paneelin navat kytketään oikosulkuun. Tämä voidaan mitata yleismittarilla virta-asennossa kytkemällä

yleismittarin johdot paneelin + ja – napoihin. Oikosulkuvirtaa mitattaessa ei paneeliin saa olla kytkettynä lataussäädintä tai muita oheislaitteita. [5]

Aurinkopaneelin tyhjäkäyntijännite (UOC) on se jännite, minkä paneeli muodostaa silloin kun paneelia ei ole kytketty kuormaan. Tyhjäkäyntijännite mitataan

yleismittarilla tasajännite asennossa kytkemällä mittari paneelin + ja – napoihin.

Paneelin toimivuus on tällä tavalla helppo todeta. [5]

Tutkittaessa aurinkopaneelin ominaiskäyrää hyvin tärkeä piste on myös maksimi- tehopiste (P_pp) eli toimintapiste. Maksimitehopisteellä tarkoitetaan niitä virran ja jännitteen arvoja, joilla saavutetaan aurinkopaneelin maksimaalinen ulostuloteho.

Tämän tehopisteen virta ja jännite on esitetty kuvassa 3 nimillä I_pp ja U_pp eli virta ja

jännite tehopisteessä. Käytännössä tehopistettä (Ppp) on hyvin vaikea saavuttaa, sillä vuorokauden valomäärät paneelin ympärillä vaihtelevat suuresti ja kirkkaalla

auringonpaisteella aurinkopaneelin hyötysuhde alkaa tippua johtuen paneelin pinnan lämpenemisestä. Aurinkopaneelin hyötysuhteen alkaessa laskea pienenee myös paneelin ulostuloteho. [1]

2.3 Aurinkopaneelin teho ja energia

Aurinkopaneelin tuottama teho voidaan laskea joulenlain kaavasta seuraavasti.

UI P =

missä P on teho (W), U on jännite (V) ja I virta (A). Paneelien tuottama energia voidaan laskea kertomalla teho ajalla. [1],[6]

Pt E =

Energia ilmoitetaan yleensä wattitunteina (Wh) tai kilowatti tunteina (kWh).

Aurinkopaneelin hyötysuhde

η

% 100 SA x

= P

η

Missä hyötysuhde on prosentteja (%), P teho (W), S säteilynintensiteetti (W/m²) ja A aurinkopaneelin pinta-ala (m²). [1]

Paneeliin kytketyllä kuormalla tai akustolla on vaikusta paneelin tuottamaan jännitteeseen, jota vastaavaan pisteeseen virta hakeutuu kulloistakin säteilyä ja

lämpötilaa vastaavalla ominaiskäyrällä. Kuorman suuruus voidaan laskea ohmin laista.

I R = U

Missä R on kuorman resistanssi (Ω), U paneelin napajännite (V) ja I virta (A). [1],[6]

3 Virran ja jännitteen mittaaminen

Toimiva ja hyvä aurinkopaneelijärjestelmä tarvitsee luotettavan sekä tehohäviöttömän mittausjärjestelmän. Aurinkopaneelilta mitattavat suureet ovat virta ja jännite.

Jännitteen ja virran mittaamiseen on useita eri mahdollisuuksia. Tässä luvussa on näistä käsitelty yleisimmät periaatteet.

3.1 Jännitteen mittaaminen

Yleisimmät jännitteen mittaamisen perustuvat menetelmät ovat digitaaliset jännitemittarit, oskilloskoopit tai analogiseen kiertokäämimittariin (galvanometri) perustuvat ratkaisut. Jännitemittarin sisäänmenoimpedanssi on hyvin suuri, useita megaohmeja, jotta mittaus ei häiritsisi mitattavaa kohdetta. Oskilloskoopilla voidaan mitata myös vaihtojännitettä, tällöin jännite nähdään signaalina ajan funktiona.

Jännitteen mittauksessa mittalaite kytketään rinnan virtapiiriin. [7]

Kuva 4. Jännitemittari kytkettynä rinnan jännitelähteeseen.

Tilanteessa, jossa mitattava jännite on suurempi kuin mittalaite kykenee mittaamaan, on toimiva tapa toteuttaa mittaus jännitteenjaon avulla. Tällöin mitattava jännite saadaan pienennettyä. On huomioitava, että tällöin jännite tulee skaalata oikein jännitteenjakoa vastaavalla kertoimella, jotta tiedetään todellinen jännite.

Jännitteenjako perustuu kahden tai useamman vastuksen kytkemiseen sarjaan siten, että niiden läpi kulkee sama virta I ja molempien vastusten yli on jännitelähteen jännite U.

[8]

Kuva 5. Kahdella vastuksella toteutettu jännitteenjako. [8]

Molempien vastusten yli kulkee samansuuruinen virta I, joka voidaan ratkaista Ohmin lain avulla, kun tunnetaan vastusten R₁ ja R₂ resistanssi. [8]

2

1

R

R U R

I U

⇒ +

=

Vastuksien R₁ ja R₂ yli jää jännitehäviöt U₁ ja U₂. Ohmin lain avulla pystytään selvittämään myös vastusten aiheuttamat jännitehäviöt seuraavasti: [8]

I R U

I R U

×

=

×

=

2 2

1 1

Sijoittamalla yllä oleviin yhtälöihin lasketun virran kaava saadaan jännitteille U2 ja U1

uudet yhtälöt. [8]

1 2

2 2

2 1

1 1

R R U R

R R U R

= +

= +

Edellä mainitusta kaavasta huomataan, että vastusten yli olevat jännitteet määräytyvät vastusten R1 ja R2 suhteesta. [8]

Jännitteenjakoa tehdessä on tärkeää huomioida vastusten tehonkestot. Jos vastuksien sopiva suhdeluku on toteutettu pieni ohmisilla vastuksilla, niin vastusten läpi kulkee suurempi virta. Suuri virta jännitteenjakovastusten läpi aiheuttaa tehohäviöitä eli vastus lämpenee. Jos vastusten tehonkestot on mitoitettu väärin suhteessa jännitteenjakoon, voivat vastukset tuhoutua.

Vastuksen kuluttama sähköteho voidaan laskea alla olevasta kaavasta: [7]

²

2

R RI UI U

P = = =

3.2 Virran mittaaminen

Sähkövirran mittauksen yleisimmät työkalut ovat analoginen ampeerimittari (galvano- metri) digitaalinen ampeerimittari tai pihtimittari. Analogiseen ampeerimittariin ja pihtimittarin toiminta perustuu sähkövirran johtimeen synnyttämään magneettikenttään.

Magneettikentän voimakkuus määrää johtimessa kulkevan virran suuruuden.

Digitaalisen ampeerimittarin, kuten esimerkiksi yleismittarissa oleva ampeerimittarin, toiminta perustuu sähkövirran johtamiseen mittarin sisällä olevan shunttivastuksen läpi.

Shunttivastus on resistanssiltaan hyvin pieni, ja mittari mittaa tämän yli olevan jännitteen. Kun tiedetään vastuksen resistanssi R ja sen yli oleva jännite U pystytään selvittämään sähkövirta ohmin lain avulla. [9],[10]

R I = U

Mitattaessa analogisella tai digitaalisella ampeerimittarilla sähkövirran voimakkuutta tulee virtapiiri katkaista kohdasta, josta virta halutaan mitata, ja kytkeä ampeerimittari tähän väliin. Ampeerimittari on näin ollen kytketty sarjaan johtimeen, josta virta mitataan. Pihtimittarilla mitattaessa sähkövirtaa virtapiiriä ei tarvitse katkaista vaan pihtimittari kytketään johtimen ympärille mittaamaan sähkövirran. [10]

Kuva 6. Ampeerimittari kytkettynä mittaamaan kuorman virrankulutusta.

Kun halutaan toteuttaa automatisoitu virranmittaus, voidaan joutua toteuttamaan digitaalisen yleismittarin sisällä oleva shunttivastukseen perustuva mittausjärjestely käytännössä kokonaan itse. Tämä sen takia, että monet automaatiolaitteistot, kuten National Instrumentsin FieldPoint, eivät mittaa sähkövirtaa suoraan samalla lailla kuten yleismittarit ja muut kannettavat mittalaitteet. Shunttivastuksen yli oleva jännite on normaalisti hyvin pieni eikä tätä jännitettä sellaisenaan voi viedä automaatiolaitteistoon, johtuen laitteiston herkkyydestä tai mahdollisista häiriöistä. Shunttivastuksen yli oleva jännite muunnetaan suuremmaksi vahvistimella, mittamuuntimella tai muulla

toimintaan sopivalla ratkaisulla. Mittamuuntimet ovat hyvä vaihtoehto shunttivastuksen yli olevan jännitteen muuntamiseen sillä näillä voidaan skaalata mittaussignaali

automaatiojärjestelmään sopivaksi.

Kuva 7. Jännitteen mittauskytkentä shunttivastuksen ja mittamuuntimen avulla.

4 Mittausjärjestelmät

Puhuttaessa mittausjärjestelmistä on syytä tarkastella kuinka signaali etenee mitattavasta kohteesta tietokoneen monitorille. Mittausjärjestelmät voidaan jakaa kahteen osaan, tietokonepohjaisiin mittausjärjestelmiin ja modulaarisiin

mittausjärjestelmiin.

4.1 Signaalin kulku tietokoneelle

Haluttua ilmiötä yleensä mitataan anturilla. Virtaa tai jännitettä mitattaessa anturi ei ole välttämättömyys. Anturilta viesti etenee lähettimelle, jossa lähetin muuntaa viestin haluttuun muotoon ennen viestin lähettämistä vastaanottimelle. Tavallista on myös se, että lähetin on jo itsessään anturissa. Elektronisten lähettimen muuntamat viestityypit ovat normaalisti virta- tai jänniteviestejä. Vastaanotin muuntaa analogisen viestin digitaaliseen muotoon ja lähettää tämän eteenpäin tietokoneelle. [11]

Kuva 8.Esimerkki mittausjärjestelmän toteuttamisesta NI FieldPoint -laitteistolla.

4.2 Tietokonepohjaiset mittausjärjestelmät

Tietokonepohjaiset mittausjärjestelmät tarvitsevat toimiakseen nimensä mukaisesti tietokoneen. Tietokoneen päätehtävänä on hoitaa tulosten prosessointi, esittäminen, varastointi ja pitää yllä yhteyksiä mitattavaan kohteeseen. Vahvuuksia tälle

järjestelmälle on se, että tietokoneet eli PC:t (Personal Computer) ovat nykyään volyymituotteita, joten hinta tietokoneelle jää alhaiseksi. Laskentateho näissä

järjestelmissä on myös omaa luokkaansa. Tietokonepohjaisia järjestelmiä ei kuitenkaan ole luotu vaativiin teollisuuden ympäristöihin, joissa kolhut, lika ja elektroniset häiriöt ovat arkipäivää. Myös tietokoneiden tulojen ja lähtöjen (I/O) ja väylien määrässä tulee aina raja vastaan, joten laajennettavuus on huono. [11]

Kuva 9.Tietokonepohjainen mittaus/testausjärjestelmä.

Tietokonepohjaiselle mittausjärjestelmälle on ominaista se, että laitteisto koostuu useista eri mittalaitteista.

4.3 Modulaariset mittausjärjestelmät

Modulaariset mittausjärjestelmät ovat laitteistoja, joilla pystytään yksinkertaisesti toteuttamaan useita eri mittauksia ilman, että täytyisi rakentaa laajoja kokonaisuuksia, jotka koostuisivat useista erillisistä laitteista. Teollisuuden tarpeisiin modulaariset mittausjärjestelmät ovat paras mahdollinen ratkaisu, sillä nämä ovat helposti

laajennettavissa ja asennettavissa. Modulaaristen järjestelmien etuna on myös se, että tällainen järjestelmä voidaan räätälöidä asiakkaan tarpeisiin sopivaksi. [11]

Kuva 10.Hajautettuun I/O:hon perustuva modulaarinen FieldPoint -järjestelmä.

Modulaarisia järjestelmiä on useita erilaisia, jotka eroavat toisistaan käyttötarkoituksen- sa perusteella. Valittaessa modulaarista mittausjärjestelmää on syytä kiinnittää huomiota siihen, mihin järjestelmä on tulossa ja mitä sen tulisi tehdä. Laitteiden ominaisuuksilla on suuria eroja ominaisuuksissa kuten: nopeus, tarkkuus, analogisten ja digitaalisten I/O kanavien määrä, laajennettavuus, fyysinen koko, liitinten monipuolisuus ja hinta. [11]

5 Laitteisto ja ohjelmisto

Aurinkopaneelien mittauslaitteistona käytettiin National Instrumentsin (NI) valmistamia sovelluksia. Kyseessä on niin sanottu modulaarinen hajautettuun I/O:hon perustuva mittausjärjestelmä. Järjestelmä koostuu NI FieldPoint 1600 Ethernet -moduulista sekä kahdesta analogisesta tulomoduulista FP-AI-110. Aurinkopaneelien virranmittauksessa käytetään mittamuuntimia UPAC ja EM-M11A. Aurinkopaneelien jännitteen mittaus tapahtuu jännitteenjaon avulla

Mittaustiedot käsitellään ja esitetään tietokoneelle tehdyllä LabVIEW -ohjelmalla.

LabVIEW on suunniteltu toimimaan muiden National Instrumentsin tuotteiden kanssa saumattomasti, joten ohjelmisto on paras mahdollinen ratkaisu tähän tarkoitukseen.

5.1 NI FieldPoint 1600 Ethernet -moduuli

NI FieldPoint 1600 Ethernet -moduuli toimii tiedonkeruuyksikkönä modulaarisessa FieldPoint -järjestelmässä. FieldPoint 1600 Ethernet -moduulia jatketaan tarvittavilla I/O moduuleilla. National Instrumentsissa (NI) on tarjolla monia erilaisia I/O -yksiköitä.

Ethernet moduulin tiedonsiirto nopeus on 100 Mb/s. Se tarvitsee toimiakseen 11-30 V käyttöjännitteen. Ethernet -moduulin tehon tarve on noin 7 W, mutta lopullisen tehontarpeen määrää kytkettyjen I/O -moduulien määrä. [12]

FieldPoint 1600 kommunikoi Ethernet -yhteyden avulla tietokoneen kanssa, johon on asennettu LabView, Measurement Studio tai jokin muu vastaava OPC –client

ohjelmisto. OPC (OLE for Process Control) on avoimen tiedonsiirron standardi, jota käytetään teollisuuden automaatiosovellutuksissa. [12],[13]

Kuva 11.NI FieldPoint 1600 Ethernet -moduuli.

FieldPoint 1600 Ethernet -moduuli on suunniteltu vaativiin kenttäolosuhteisiin.

FieldPoint 1600 pystyy toimimaan maksimissaan -20 °C pakkasessa tai +55 °C

kuumuudessa. Laitteiston ympärillä oleva kosteusprosentti saa olla välillä 5-90 %. [12]

Lisätietoja kuvassa 11 olevasta NI FieldPoint 1600 Ethernet -moduulista löytyy liitteenä olevista teknisistä tiedoista. [Liite1]

5.2 NI FP-AI-110 -moduuli

NI FieldPoint AI-110 on analogiatulomoduuli modulaarisessa FieldPoint -

järjestelmässä. Moduulilla pystytään mittaamaan jännitteitä millivolteista lähtien aina 10 volttiin saakka. Virtojen mittausalueet ovat 0…20 mA ja 4…20 mA. Moduulissa on 8 tuloliitäntää virran tai jännitteen mittaukselle. Moduulissa on myös diagnostiikka – toiminto, jolla pyritään takaamaan ongelmaton asennus ja ylläpito. Moduulin resoluutio on 16 bittiä ja päivitystaajuudet ovat välillä 5 Hz – 0,66 MHz, riippuen moduulin suodatusasteesta. [14]

Kuva 12.NI FP-AI-110 –analogiatulomoduuli.

Tarkemmat lisätiedot kuvan 12 NI FP-AI-110 analogiatulomoduulista on liitteessä.

[Liite2]

5.3 UPAC ja EM-M11A -mittamuuntimet

UPAC eli monivalintamittamuunnin tarjoaa yli 400 tulo/lähtökombinaatiota. Mitta- alueen ylä- ja alatason säätö tapahtuu trimmeripotentiometreillä. UPAC –moni-

valintamittamuuntimella voidaan käsitellä standardimittaviestejä tai täysin poikkeavia analogisignaaleita. UPAC -monivalintamittamuunnin on 3-piste-erotettu laite eli tulosignaali, lähtösignaali ja apujännite on erotettu toisistaan. 3-piste-erotettuna toteutettu laitteisto eliminoi mahdolliset häiriöt tehokkaasti. UPAC -monivalintamitta- muuntimen haluttu toiminta valitaan DIP-kytkimistä. Toimiakseen UPAC tarvitsee 18- 30 VDC apujännitteen. [15]

EM-M11A on Electromen Oy:n valmistama mittamuunnin. Toiminnoiltaan se on hyvin samanlainen kuin UPAC. EM-M11A mittamuuntimessa haluttu toiminta valitaan myös

DIP-kytkimillä ja muunnin on 3-piste-erotettu. Toimiakseen EM-M11A tarvitsee 20-32 VDC apujännitteen. [16]

Kuva 13.Vasemmalla EM-M11A -mittamuunnin ja oikealla UPAC

Kuvan 13 UPAC- ja EM-M11A -mittamuuntimista lisätietoja on liitteessä. [Liite3]

5.4 Kipp&Zonen CM3 pyranometri

Kipp&Zonen CM3 on auringonsäteilyn intensiteettiä mittaava pyranometri. Maksimi säteilynintensiteetti, jonka CM3 -pyranometri mittaa on 2000 W/m². CM3-pyranometrin toimintalämpötila on -40…80 °C, joten pyranometri kestää Suomen vaihtelevia

sääolosuhteita hyvin. Pyranometrin ulostulosignaali on 0-50 mV ja herkkyys 10-35 µV/W/m². [17]

Kuva 14.Kipp&Zonen CM3 pyranometri.

Tarkemmat tiedot Kipp&Zonen CM3 –pyranometrista on liitteessä.. [Liite4]

5.5 Aurinkopaneelit

Järjestelmään kuuluu kaksi Solara AG:n valmistamaa SM 340 S aurinkopaneelia ja kaksi Gällivare PhotoVoltaic AB:n valmistamaa GPV-85 W aurinkopaneelia.

Solara AG:n valmistama aurinkopaneeli on teholtaan 85 W ja aurinkopaneeli on ns.

monikideaurinkopaneeli. Paneelin oikosulkuvirta on 5,15 A. Tehollinen virta aurinkopaneelilla on 4,72 A. Tyhjäkäyntijännite aurinkopaneelilla on 21,9 V ja tehollinen jännite 18 V. [18]

Gällivare PhotoVoltaic AB:n GPV-85 W aurinkopaneeli on teholtaan nimensä mukaisesti 85 W. GPV-85 W aurinkopaneeli on ns. yksikiteinen aurinkopaneeli.

Aurinkopaneelin oikosulkuvirta on 5,2 A ja tehollinen virta 4,9A. Tyhjäkäynti- ja tehollinen jännite paneelilla on 21,5 V ja 17,5 V. [19]

Kuva 15. Järjestelmässä käytettävät aurinkopaneelit; oikealla Solara AG:n ja

vasemmalla Gällivare PhotoVoltaic:in valmistama paneeli.

Lisätietoja Solara AG:n ja Gällivare PhotoVoltaic:in aurinkopaneeleista löytyy liitteenä olevista teknisistä tiedoista. [Liite5]

5.6 LabVIEW

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) on National Instrumentsin suunnittelema ja tekemä ohjelmointiympäristö. LabVIEW perustuu graafiseen G-kieleen. LabVIEW -ohjelmasta on olemassa versiot Windows, Linux, Mac ja Solaris –käyttöjärjistelmille. Tämän lisäksi LabVIEWissä on versioita erilaisille kämmentietokoneille eli PDA-laitteille. LabViewin ohjelmat ovat suoraan siirrettävissä käyttöjärjestelmien välillä, kunhan vain ohjelmat on tehty LabVIEW:n samoilla

kehitysversioilla. Ristiriitoja voivat myös tuottaa erilaiset käyttöjärjestelmäkohtaiset rajoitukset kuten ActiveX-komponentit. [20]

Ohjelmointikielenä LabVIEW on helposti opittavissa ja tämä on vuosien mittaan muuttunut lähes de facto standardiksi mittaus- ja testaussovellutuksissa. LabVIEWiä käytetään normaalisti PC-pohjaisissa teollisuuden automaatiosovellutuksissa ja hyvin laajoissa sekä hajautetuissa tiedonvarastointi- ja analysointisovellutuksissa.

Tehokkuutensa ansiosta LabVIEW kilpailee täysin C-ohjelmointikielien kanssa. [20]

5.7 NI Measurement & Automation Explorer

NI Measurement & Automation Explorer on konfigurointiohjelma FieldPoint - laitteistolle. Ohjelman nimi nähdään monesti lyhennettynä nimellä MAX. Ohjelman avulla voidaan määrittää I/O asetuksia, lähiverkkoasetuksia ja testaamaan FieldPoint laitteiston toimivuutta. Measurement & Automation Explorer löytää automaattisesti lähiverkkoon kytketyt National Instrumentsin laitteistot. [21]

Measurement & Automation Explorer -ohjelman avulla voidaan luoda tiedosto (iak- tiedosto), joka sisältää sovelluksessa tarvittavat I/O tiedot, kanavien kuvaukset ja määritykset. LabVIEWin avulla on helppo ottaa käyttöön tarvittavat mittaukset, joita tarvitaan tulevassa sovellutuksessa. [21]

6 Mittausten toteutus aurinkopaneelijärjestelmässä

Aurinkopaneelien mittausjärjestelmä sijaitsee Savonia-ammattikorkeakoulun Varkauden yksikön A-rakennuksen ilmastointihuoneessa olevassa sähkökaapissa. Kaikki mittaukset on kytketty FieldPoint -laitteistoon.

Kuva 16.Aurinkopaneelien testausjärjestelmä.

Kuvassa on esitetty, kuinka aurinkopaneelien testausjärjestelmä on toteutettu.

Aurinkopaneelijärjestelmä on suunniteltu siten, että kytkimellä voidaan valita, ladataanko akkua lataussäätimen avulla vai syötetäänkö energia sähköverkkoon invertterin avulla. Kytkimen kääntäminen aiheuttaa sen, että akunlatausasennossa aurinkopaneeliparit ovat kytkettynä rinnan ja sähköverkkoasennossa sarjaan.

Aurinkopaneeleilta tuleva virta mitataan shunttivastuksien avulla. Virta voidaan selvittää, kun vastuksen resistanssi ja vastuksen yli kulkeva jännite tiedetään. Signaali voimistetaan mittamuuntimella, jonka jälkeen signaali viedään FieldPoint -laitteistolle.

Aurinkopaneelien jännite mitataan jännitteenjaon avulla, vastusten arvot ovat 82 kilo- ohmia ja 8,2 kilo-ohmia. Näin ollen suhdeluvuksi saadaan jännitteenjaon 1:10.

Jännitteenjako on välttämätöntä sillä FieldPoint laitteisto ei kykene lukemaan jännitteitä

kuin 10 V volttiin saakka. Sarjakytkennässä paneeliston jännite voi olla noin 90 V ja rinnankytkennässä 45 V.

Kuva 17. Mittausjärjestelmän kannalta tärkeimmät komponentit sähkökaapissa.

Kuvassa 17 on esitetty aurinkopaneelijärjestelmän mittauksen kannalta tärkeimpien komponenttien sijainnit sähkökaapissa. Kuvassa 17 punaisilla ympyröillä (1) on esitetty virranmittauksen kannalta tärkeimmät komponentit eli shunttivastukset ja mittamuunti- met. Keltaisella (3) on merkitty laitteiston teholähde, joka syöttää apujännitteen

mittamuuntimille ja käyttöjännitteen sinisellä (5) merkatulle FieldPoint -laitteistolle.

FieldPoint -laitteistossa vasemmassa reunassa on Ethernet -moduuli ja sen oikealla puolella kaksi analogiatulomoduulia. Vihreällä (4) on esitetty jännitteenjaon vastukset.

Tärkeä osa toiminnan kannalta on ruskealla merkitty kytkin (2), jolla voidaan valita onko aurinkopaneelit kytketty sarjaan vai rinnan. Kytkimen asennossa 1 paneelin teho ohjautuu harmaalla merkittyjen (8) lataussäätimen kautta akulle. Asennossa 2 teho syötetään vaaleanpunaisella merkityn (6) ohjausyksikön ja invertterin kautta maadoitettuun pistorasiaan (7) ja edelleen talon sähköverkkoon.

Aurinkopaneelijärjestelmään kuuluu oleellisesti auringonsäteilyn intensiteettiä mittaava pyranometri. Sen avulla saadaan selville tuotetun tehon suhde auringonsäteilyyn.

FieldPoint -yksiköltä mittaussignaalit etenevät kytkimelle ja kytkimeltä lähiverkkoon.

Lähiverkosta käsin mittaukset voidaan käsitellä LabVIEW -ohjelmistolla.

Kuva 18. FieldPoint -laitteisto.

Kuvassa 18 oikealla analogiatulomoduulit ja vasemmalla Ethernet-moduuli. Ylhäällä on 28 V teholähde, joka syöttää käyttöjännitteen FieldPoint -laitteistolle sekä apujännitteen mittamuuntimille.

6.1 Mittauskytkennät

Jännitettä mitattaessa aurinkopaneelien yli oleva jännite tuodaan jännitteenjakovastuk- sille. Jännitteenjakovastuksina ovat 82 kilo-ohmin ja 8,2 kilo-ohmin vastukset.

Jännitteenjako pudottaa aurinkopaneelien jännitteen noin kymmenesosaan.

Jännitteenjaolla pudotettu mittausarvo viedään FieldPoint -laitteiston analogiatulo- moduuliin sellaisenaan. Vastusten suhdeluku on muistettava ohjelmakoodia tehdessä, jotta mittaukset saadaan skaalattua oikein. Kalibroinnin jälkeen tarkaksi suhdeluvuksi saatiin 11.066.

Kuva 19. Jännitteenjako vastuksien sijainti mittausjärjestelmässä.

Virran mittauksessa virta mitataan jännitteenä järjestelmässä olevan 0,60 milliohmin tarkkuusvastuksen eli shunttivastuksen yli. Shunttivastuksen yli oleva jännite on hyvin pieni eikä sitä voi sellaisenaan viedä FieldPoint laitteistoon. FieldPoint laitteiston ja shunttivastuksen väliin on kytketty mittamuuntimet. Kummallekin aurinkopaneeliparille on omat mittamuuntimet ja shunttivastukset.

Kuva 20. Virranmittauksen shunttivsatukset.

Mittamuuntimet on kytketty laitteistoon siten, että se muuntaa aurinkopaneeleilta tulevan virran 1-5 V jänniteviestiksi. Mittamuuntimet tarvitsevat toimiakseen apu- jännitteen. Apujännitteen mittamuuntimet saavat 24 V teholähteestä. Virtamittauksen jännitesignaalin mittaa analogiatulomoduuli numero 1. Virtamittaus tapahtuu kyseisen analogiatulomoduulin kanavista 6 ja 7, (Taulukko 1).

Kuva 21. Virranmittauksen mittamuuntimet.

Pyranometriltä tulevaa signaali on 0-50 mV ja signaali vastaa säteilyn kokoluokkaa 0- 2612 W/mm². Pyranometri on kytkettynä analogiatulomoduuliin numero 1 kanavaan 5.

Taulukko1. Aurinkopaneelijärjestelmän mittaviestit.

Taulukkoon 1 on koostettu kaikki aurinkopaneelijärjestelmän mittausviestit. Siitä nähdään eri mittasignaalit ja niiden toiminta-alueet. Tämän lisäksi kuvasta voidaan nähdä mihin analogiatulomoduuliin ja sen kanavaan kytkennät on tehty

FieldPoint -laitteistossa on FP1600 Ethernet -moduuli ja kaksi FP-AI-110 -moduulia.

Laitteisto tarvitsee toimiakseen käyttöjännitteen. FieldPoint -laitteiston tehontarve voidaan laskea seuraavasti:

Tehontarve = 7 W + 1,15 x (I/O -moduulien tehontarve)

FieldPoint -laitteiston kokonaistehon tarpeeksi saadaan 7,805 W, koska Ethernet - moduuli kuluttaa tehoa 7 W ja I/O -moduulit kuluttavat 350 mW.

6.2 Aurinkopaneelijärjestelmän sijainti

Aurinkopaneelijärjestelmä ja pyranometri on sijoitettuna Savonia-ammattikorkeakoulun A-rakennuksen katolle. Laitteisto ei vaadi juurikaan huoltoa tai ylläpitoa. Aurinko- paneeleiden tuottoon voi vaikuttaa kerääntyneet roskat ja muut epäpuhtaudet aurinkokennojen päällä. Aurinkopaneelien välittömään läheisyyteen on asennettu kamera, jonka avulla voidaan seurata suoraa kuvalähetystä aurinkopaneeleista.

Kuva 22. Aurinkopaneelijärjestelmä Savonia-amk:n Varkauden yksikön katolla.

Paneelit ovat 40° kulmassa pystysuuntaan nähden. Tarvittaessa paneelit saadaan kääntymään vaakasuunnassa. Aurinkopaneelit on johdotettu ilmastointihuoneessa oleviin aurinkoenergian keräysjärjestelmiin.

Kuva 23. Ristikytkentäkotelo.

Ristikytkentäkotelossa kootaan eri mittauspisteistä tulevat signaalit yhteen. Kotelossa on myös ulkoilman lämpötilan mittaukseen käytetty Pt100 -lämpötila-anturi.

Kuva 24. Pyranometri asennettuna.

Pyranometri on asennettu avonaiseen paikkaan paneelien taakse 40° kulmaan.

Asennuskulma on sama kuin aurinkopaneeleilla. Mittaustieto pyranometrilta kulkeutuu katolla olevalle uusitulle ristikytkentäkotelolle. Ristikytkentäkotelolta mittaustieto etenee ilmastointihuoneessa olevaan FieldPoint -laitteistoon.

7 LaSol aurinkopaneelien testausohjelma

LaSol aurinkopaneelien testausohjelma on suunnittelemani ohjelma aurinkopaneelien mittaukseen ja testaukseen. LaSol -ohjelma on ohjelmoitu National Instrumentsin LabVIEW 8.5 -ohjelmointiympäristössä. LaSol -ohjelma on suunniteltu kokopäiväiseen ja keskeytymättömään aurinkopaneelien energian mittaukseen ja tiedonkeruuseen.

Aurinkopaneelien ohella LaSol -ohjelma kerää informaatiota myös pyranometriltä.

LaSol -ohjelma mittaa FielPoint -laitteiston avulla aurinkopaneeleilta tulevan virran ja jännitteen sekä auringonsäteilyn intensiteetin. Näitä tietoja käsittelemällä pystytään laskemaan paneelien tuottaman tehon ja energian luvussa 2 käsiteltyjen kaavojen avulla.

LaSol -ohjelma luo kolme kuvaajaa. Ensimmäinen näyttää online-mittauksena tämänhetkisen aurinkopaneelien tuottaman tehon sekä säteilyn intensiteetin. Toinen kuvaaja näyttää pylväsdiagrammina päivittäiset energiatuotot ja kolmas kuvaaja kuukausittaiset energiatuotot. Kaikki mittaustiedot LaSol -ohjelma tallentaa Excel- tiedostoihin.

LaSol -ohjelmaa on suunniteltu mahdollisia virhetilanteita silmälläpitäen. Mahdolliset virhetilanteet voivat olla ohjelmallisia tai laitteistopohjaisia. Ohjelmalliset virheet on pyritty eliminoimaan ohjelmoinnin yhteydessä. Laitteistopohjaisia virheitä ovat sähkökatkokset tai muun mittauslaitteiston virhetilanteet ja laitteiden hajoamiset.

Ohjelman käyttöliittymä on suunniteltu mahdollisimman helppokäyttöiseksi.

Käyttöliittymässä ei ole turhia painikkeita ja käyttäjän on helppo omaksua ohjelma ilman LabVIEW -ohjelmointiympäristön käyttökokemuksia. Jos ohjelmaa kuitenkin halutaan muokata, on tämä helppoa sillä LaSol -ohjelma on ohjelmointirakenteeltaan ymmärrettävä ja modulaarinen. Ohjelmakoodi on pyritty kommentoimaan siten, että käyttäjä ymmärtää, mitä ohjelmakoodilla pyritetään tekemään. Tulevan kehitystyön on näin ollen helppoa.

Ohjelmaan on myös liitetty internetkamera. Kamera kuvaa aurinkopaneeleita katolla.

Näin ollen on helppo katsoa, onko paneelit kunnossa ja paistaako paneelien pinnalle aurinko. LaSol -ohjelmaan on myös suunniteltu HistoryReader -aliohjelma, jolla pystytään selaamaan vanhoja mittaustietoja.

7.1 LaSol -ohjelman toimintaperiaate

Kun LaSol ohjelma käynnistetään, ohjelma tutkii C-aseman juuresta LaSol_Mittaukset kansion sisällön. Jos kansion sisällä on kansiot Vuorokausikäyrät, Kuukausikäyrät, Vuosikäyrät ja JatkuvaData niin ohjelma katsoo kansioista viimeisimmät tiedostot ja palauttaa niiden mukaiset arvot kuvaajiin. Jos kansioita ei ole, LaSol -ohjelma luo tarvittavat kansiot ja aloittaa mittaukset.

LaSol -ohjelma käynnistyy LaSol -nimisestä pikakuvakkeesta. Jos I/O asetukset ovat kunnossa, ei LaSol -ohjelma anna minkäänlaista virheilmoitusta. LaSol -ohjelma aloittaa energian mittaamisen välittömästi.

LaSol -ohjelma suorittaa toimintoja tietyin aikavälien. LaSol -ohjelma lukee mittaustietoja sekunnin välein ja laskee näistä keskiarvon. LaSol -ohjelma tallentaa energia ja teho tiedot 5 minuutin välein Excel -tiedostoon, vuorokausikäyrät -kansioon.

Ennen vuorokauden loppumista LaSol -ohjelma lukee päivän aikana tallennetut energiatiedot ja laskee nämä yhteen. Yhteenlasketun tuloksen LaSol tallentaa omaan Excel-tiedostoonsa kuukausikäyrät -kansioon ja piirtää yhteenlasketusta tuloksesta pylvään kuvaajaan. LaSol -ohjelma tekee saman yhteenlaskuoperaation kuukauden eripäivinä tuotetuista energioista kuukauden loputtua. LaSol piirtää näistäkin pylvään omaan kuvaajaansa. Kuukausittaisen energian mittaustiedot tallennetaan Excel - tiedostoon vuosikäyrät -kansioon.

LaSol -ohjelma on suunniteltu käyttöliittymältään niin pieneksi kuin mahdollista. Tästä syystä kaikki kolme kuvaajaa ovat pieninä käyttöliittymän alareunassa.

7.2 Kuvaajat

Aurinkopaneeleilta tulevan informaation tallentamisen lisäksi saatua mittausdataa täytyy kyetä myös esittämään järkevästi. LaSol -ohjelma näyttää käyttöliittymän pääikkunassa kolme erilaista kuvaajaa aurinkopaneeleista mitatuista tiedoista.

Ensimmäinen kuvaaja näyttää aurinkopaneelien hetkellisen tehon sekä auringonsäteilyn intensiteetin. Toinen kuvaaja esittää vuorokautisia energiakertymiä pylväsdiagrammina

ja kolmas kuukautisia energiakertymiä. Kuvaajaa hiirellä klikkaamalla saadaan kuvaaja suurennettua ja toisen kerran klikkaamalla pienennettyä.

7.2.1 Hetkellinen teho sekä auringonsäteilyn intensiteetti kuvaaja

Hetkellinen teho sekä auringonsäteilyn intensiteetti kuvaaja näyttää mittaustulokset mitattuna 5 minuutin välein. Kyseinen mittaus tapahtuu online-mittauksena eli mittaustietoa kuvaajaan ei lueta mistään, vaan uusi mittauspiste kuvaajaan tulee aina viiden minuutin välein. Kuvaaja näyttää informaatiota maksimissaan vuorokauden ajalta. Jotta vuorokausi voidaan kuvaajassa esittää, täytyy laskea mittauspisteiden määrä LabVIEW:in kuvaajaan sopivaksi. Mittausvälin ollessa 5 minuuttia mittauspisteitä kuvaajaan tulee 288, jotta pystyttäisiin esittämään vuorokaudenmittainen ajanjakso.

Viiden minuutin aikaintervallin LaSol -ohjelma laskee timer -aliohjelman avulla.

Kuva 25. Hetkellisen tehon sekä auringonsäteilyn intensiteetin kuvaajat.

Kuvaajan x-akselilla on aikatiedot ja y-akselilla teho tiedot, y-akseli esittää myös auringonsäteilyn intensiteetin Auringonsäteilyn intensiteetti on skaalattu pienemmäksi tekijällä kaksi, jotta kuvaajat saadaan paremmin samalle asteikolle. Aikatieto x-akselilla muuttuu 5 minuutin välein eli aina, kun uusimittaus tapahtuu. Näin tämä muodostaa liikkuvan käyrän.

7.2.2 Vuorokausittainen energiakuvaaja

Vuorokausittainen energiakuvaaja näyttää eri vuorokausien aikana kertyneet energiat pylväsdiagrammina. Kuvaajassa on x-akselilla viikonpäivä ja sen päivämäärä. Uusi mittaus tälle kuvaajalle tapahtuu minuuttia ennen vuorokauden vaihtumista, jolloin LaSol -ohjelma laskee vuorokauden aikana kertyneet energiat ja piirtää siitä pylvään kuvaajaan. y-akseli esittää kertyneen energian määrää kilowattitunteina (kWh).

Mittaus vuorokausittaiselle energiakuvaajalle ei tapahdu online-mittauksena vaan mittaus joudutaan lukemaan ja laskemaan ohjelmallisesti Excel -tiedostosta

vuorokausikäyrät –kansiosta, jonne päivittäiset energia ja tehotiedot ovat tallentuneet.

Vuorokautisen energian LaSol -ohjelma tallentaa Excel -tiedostoon, kuukausikäyrät - kansioon. Mittausvälin LaSol -ohjelmassa määrää Timer-60s aliohjelma. Vuorokautisen energian kuvaajalle laskee Columnreader -aliohjelma.

Kuva 26. Vuorokautinen energiakuvaaja.

7.2.3 Kuukausittainen energiakuvaaja

Kuukausittainen energiakuvaaja on hyvin samankaltainen toiminnaltaan kuin vuoro- kautinen energiakuvaaja. Kuvaajan x-akselilla on esitetty kuukaudet ja y- akselilla kuukausittaiset energiakertymät kilowattitunteina. Uusi mittaus kuvaajalle tapahtuu minuuttia ennen kuukauden vaihtumista. Silloin LaSol -ohjelma lukee kuukausikäyrät -

kansiosta kyseisen kuukauden energiatiedot ja laskee nämä yhteen sekä tallentaa lasketun energiamäärän vuosikäyrät -kansioon omaan Excel -tiedostoonsa.

Mittausvälin kuukausittaiselle käyrälle määrää Timer+s -aliohjelma ja kuukausittaisen energian laskee Columnreader -aliohjelma..

Kuva 27. Kuukausittaisen energiantuoton kuvaaja.

7.3 LaSol -ohjelman käyttöliittymä

LaSol -ohjelman käyttöliittymästä löytyy vasemmalta ylhäältä laatikko, jossa on tekstinä mittaukset. Mittaukset laatikon sisälle on sijoitettu online-mittaustuloksia aurinkopaneelien jännitteestä, virrasta, tehosta, kertyneestä energiasta, säteilystä, säteilyn ja tehon suhdeluvusta sekä ajasta seuraavaan mittaukseen. Kyseiset mittaukset ovat tärkeimpiä mittauksia aurinkopaneelilta. Näitä mittaustuloksia katsomalla voidaan helposti todeta järjestelmän olevan toimintakunnossa. Mittaukset näyttävät

tämänhetkiset mittaustiedot päivitysvälin ollessa yksi sekunti.

Kuva 28. LaSol -ohjelman käyttöliittymä.

LaSol -ohjelman käyttöliittymässä oikealla ylhäällä on laatikko nimeltä valikko.

Valikon sisältä löytyy kolme painiketta, jotka tekevät ohjelmasta entistä

monipuolisemman. Ensimmäisestä painikkeesta voidaan avata näkymä internet kamerasta, joka on sijoitettuna kuvaamaan aurinkopaneeleita. Toisesta painikkeesta päästään helposti käsiksi LaSol_Mittaukset -kansion sisältöön ja kolmannesta painikkeesta voidaan avata mittaushistorian lukemiseen tarkoitetun Historyreader - aliohjelman.

Käyttöliittymän alapuolella on kaikki mittaustiedon esittämiseen luodut kuvaajat pieninä kuvina. Kuvaajat voidaan suurentaa niitä klikkaamalla.

7.4 LaSol -ohjelman rakenne

LaSol -ohjelman ohjelmakoodi koostuu pääohjelmasta ja useista aliohjelmista, joita kutsutaan aina tarvittaessa. Aliohjelmat tekevät itse ohjelmakoodista paljon yksikertai- semman ja selkeämmän. Kaikki suuremmat ohjelmointi- ja laskukokonaisuudet on toteutettu aliohjelmilla.

7.4.1 Mittaustiedon saaminen NI FieldPoint laitteistolta

Pääohjelman sisällä mittaustulokset NI FieldPointilta mittaa Measurements -niminen aliohjelma. Measurements -aliohjelmassa mittaustiedot FieldPoint -laitteistolta luetaan käyttämällä FieldPoint -nimistä lohkoa. Measurements -aliohjelmassa on suoritettu myös mittaustietojen skaalaus. Aurinkopaneelien virtojen ja jännitteiden lopullinen skaalaus perustuu kalibroinnissa mitattuihin uusiin kalibrointiarvoihin.

Kuva 29. Measurements -aliohjelma.

Jänniteviestin skaalaaminen perustuu jännitteenjakovastuksien suhteeseen, joka on 1:11, näin ollen karkeasti mittausviesti voidaan kertoa kymmenellä, jotta saadaan

totuudenmukaisempi mittausarvo.

Virranmittauksen skaalauksessa signaali FieldPointilta on 1-5 V ja tämä mittaussignaali vastaa mitattavaa aluetta 0-10 A. Skaalaaminen tapahtuu siten, että mitattavaa signaalia vähennetään luvulla 1, tällöin ohjelmallisesti mittaussignaali saadaan välille 0-4 V.

Tämän jälkeen tarvitaan sopivakerroin mittasignaalille, jotta 4 V signaali vastaa maksimi mittausarvoa 10 A. Jakolaskulla 10:4 saadaan karkeaksi kertoimeksi 2.5.

Aurinkopaneelien tehoon ja energiaan liittyvät laskutoimitukset suoritetaan aliohjel- massa Power avg. Aliohjelma laskee aurinkopaneeleilta tehon ja tehosta keskiarvon halutulla mittausvälillä. Ohjelma myös laskee tuotettua energiaa. Lasketusta pääohjel- massa lasketaan energia kilowattitunneiksi jakamalla tulos ensin luvulla 3600 (sekunteja tunnissa) ja sitten vielä jakamalla luvulla 1000 (skaalaus kilowateiksi). Saatu

energiatulos viedään Shift Registeriin ja palautetaan Power avg –aliohjelmalle, joka käsittelee viestin taas uudestaan.

7.4.2 Laitteiston vikatilanteiden käsittely

Measurements -aliohjelmalta skaalattu virta- ja jänniteviesti etenee rakenteeseen, joka eliminoi mahdollisen viestikatkoksen (Case Structuren avulla voidaan toteuttaa erilaisia ehtolauseita), joka voi olla esimerkiksi aurinkopaneelijärjestelmässä oleva häiriö tai rikkoontuminen. Virta- ja jänniteviesti viedään kukin oman Case Structuren lävitse ja mittausviesti tallennetaan Shift Registeriin, eli eräänlaiseen muistiin, joka palauttaa edellisen mittaustuloksen. Tämän toiminnan ideana on se, että jos virta tai jännite tippuu hetkellisesti arvoon 0,001, niin silloin ohjelma antaakin ulos Shift Registerissä olleen edellisen mittaustuloksen niin pitkän aikaa, kunnes jännite tai virta on noussut yli halutun rajan. Luku 0,001 on tarkoituksella valittu erittäin pieneksi, sillä yöllä jännite ja virta paneeleilta on äärimmäisen pieni ja muutoin LaSol -ohjelma jää laskemaan

energiaa virheellisesti.

Esimerkki kyseisen Case Structuren toiminnasta. Päivällä saadaan aurinkopaneeleilta mitattua n. 60 V jännite, jostakin syystä jännite putoaa äkisti nollaan eli viestiä paneeleilta ei tule ollenkaan. Nyt Case Structure mahdollistaa sen, että seuraava mittausviesti onkin edellinen mittaustulos eli 60 V niin pitkän aikaan, kunnes vika saadaan korjattua.

7.4.3 Excel -tiedostojen tallennus ja mittausten esittäminen

Mittaustulokset käsiteltyinä viedään Case Structureen, joka tallentaa mittaustulokset aina viiden minuutin välein vuorokausikäyrät kansioon omaan tiedostoon, jonka nimi on kyseinen päivämäärä, jolloin tiedosto on tallennettu. Viidenminuutin tallennusvälin määrää Timer -aliohjelma.

Kuva 30. Timer -aliohjelman rakenne.

Timer -aliohjelma toimi siten, että sen hetkinen kellonaika muutetaan sekunneiksi summaamalla tuntien, minuuttien ja sekuntien kellonaika. Saatua arvoa jaetaan

mittausvälin mukaisella ajalla sekunteina. Mittausvälin ollessa viisi minuuttia jakaja on 300 sekuntia. Ohjelmaan on lisätty komponentti, joka laskee jakojäännöstä. Kyseistä jakolaskutoimitusta suorittaessa kellon käydessä aina, kun jakojäännös on nolla, Timer - aliohjelma palauttaa arvon true eli luvun 1 ulos. Käyttämällä palautettua arvoa true Case Structuren toteutusehtona saadaan toteutettua rakenne joka toimii mittausvälinä.

Case Structuressa mittaustulokset, virrasta, jännitteestä, energiasta, tehosta, säteilystä, säteilyn ja tehon suhdeluvusta sekä tehon keskiarvosta mittausvälillä viedään SaveDays -aliohjelmalle, jonka tehtävänä on suorittaa haluttu Excel -tiedostoon tallennus.

Tallentaminen tapahtuu Write To Speadsheet File -funktion avulla. Case Structuren sisällä on myös Flat Sequence Structure eli rakenne, jolla voidaan määrittää

suoritusjärjestys jollekin toiminnalle. Rakenne toimii siten, että Flat Sequence

Structureen sisälle voidaan lisätä lokeroita. Nämä lokerot suoritetaan aina vasemmalta oikealle. Tämän avulla voidaan suorittaa toimintoja tietyssä järjestyksessä. Esimerkiksi on välttämätöntä tallentaa ensiksi tiedosto ennen kuin sitä voidaan lukea. Jos kyseistä rakennetta ei käytettäisi, tapahtuisi ohjelman kaatuminen.

Kuva 31. Kuvaajien muodostaminen ohjelmallisesti.

Samassa Case Structuressa suoritetaan kuvaajan toteutus päivittäiselle teholle sekä auringonsäteilyn ja tehonsuhteelle. Ohjelmakoodi toimii siten, että get date/time in seconds -funktion avulla saadaan tämän hetkinen päivämäärä, joka määrää Waveform chartin eli käytetyn kuvaajan aikaleiman. Mittaustulokset tehosta sekä säteilyn ja tehon suhdeluvusta saadaan Localvariable -funktioita apuna käyttäen. Localvariable -funktio mahdollistaa mittaustuloksen käsittelyn ilman johdotuksia alkuperäisestä mittauksesta.

Tätä voisi kuvailla eräänlaisena pikakuvakkeena. Käyttäen vielä apuna Build waveform -funktiota voidaan yhdistää ajan ja raa’an mittaustulokset ja tehdä tästä mittausviestin, jossa on aikaleima mukana itsessään. Saatu viesti viedään seuraavaksi waveform chart graafiin, joka näyttää saadun mittaviestin y-akselilla ja aikaleiman x-akselilla.

Käyttämällä buildarray -funktiota, voidaan samaan kuvaajaan laittaa useita eri mittausviestejä. Auringonsäteilyn intensiteetti on skaalattu pienemmäksi jakamalla se kahdella, jotta se tulee paremmin samalle skaalalle tehomittauksen kanssa.

Päivittäisien energioiden kuvaaja luodaan myös käyttäen sisäkkäistä Case ja flat sequense structuruea. Rakenne suoritetaan aina minuuttia ennen vuorokauden päättymistä. Vuorokauden mittausvälin ohjelmaan tekee Timer-60 s -aliohjelma.

Timer-60s -aliohjelma toimii hyvin samankaltaisesti kuin Timer -aliohjelma. Mittausväli tähän aliohjelmaan on määritetty vuorokausi sekunteina eli 86400 sekuntia. Timer-60s - aliohjelma laskee myös vuorokauden tunnit, minuutit ja sekunnit yhteen sekä näistä jakojäännöksen. Ohjelman sisällä vuorokauden sekuntimäärästä eli 86400 sekuntia vähennetään 60 sekuntia eli minuutin verran pois. Tämä toimenpide mahdollistaa Timer-60s -aliohjelman palauttamaan arvon true eli 1 minuuttia ennen vuorokauden päättymistä.

Kun Case Structure on saanut arvon true eli käskyn suorittaa Case Structure,

suoritetaan Flat seqence structuren määräämässä järjestyksessä seuraavat toiminnot.

Ensiksi Columnreader -aliohjelma laskee vuorokauden aikana tuotetut ja viiden minuutin välein tallennetut energiat yhteen kansioista, jonne vuorokautiset mittaukset on tallennettu. Tämän jälkeen yhteenlaskettu tulos tallennetaan omaan tiedostoonsa kuukausittaiset mittaukset -kansioon. Ja lopuksi Readmonths -aliohjelma lukee tämän kuukauden tallennetut tiedot ja piirtää näistä pylväsdiagrammin kuvaajaan.

Kuva 32. Columnreader aliohjelma

Columnreader -aliohjelma toimii siten, että aliohjelmaan määritetään arvot: summatta- vien määrä, tiedostopolku ja summattava sarake. Summattavien määrä määrittää alioh- jelmassa lukumäärän, kuinka monta yhteenlaskuoperaatiota suoritetaan. Tiedostopolku voi saada luvut yhdestä viiteen. Tällä voidaan määrittää mistä kansiosta aliohjelma etsii tiedoston, jossa olevista lukuarvoista suoritetaan yhteenlaskuoperaatio. Summattava sarake -kohtaan tulee määrittää oikea sarake Excel -tiedostossa, minne haluttu ja yhteenlaskettava data on tallennettu.

Columnreader -aliohjelman sisällä on for loop -rakenne, joka suorittaa yhteenlasku- operaatiot. For Loop kelaa läpi niin monta solua määritetystä Excel-tiedostosta alaspäin kuin on määritetty summattavien määrä -kenttään. Joka kerta, kun mennään uuteen soluun, edellinen arvo on tallennettu Shift Registeriin ja tämä summataan uuteen arvoon ja yhteen laskettu tulos korvaa edellisen Shift Registerin arvon. Tätä toimenpidettä toistamalla pystytään suorittamaan yhteenlaskuoperaatio. Read From Spreadsheet File - funktiolla pystytään lukemaan Excel -tiedostoja.

Vuorokautiset energiat -kuvaajan piirtäminen tapahtuu Case Structuressa rakenteen lopussa. Kuvaajaan piirtäminen tarvitsee aliohjelmaan ReadMonths -tiedostopolun.

Tiedostopolku muodostuu kyseisen vuorokauden kellonajasta. Tämä tarkoittaa sitä, että kun kuvaajaan piirretään pylväs, tulee se suorittaa samana päivänä kuin tiedot on tallennettu tiedostoon. Käytännössä kuvaaja piirretään minuutin sisällä ennen vuorokauden vaihtumista. ReadMonths -aliohjelma etsii tiedostopolun määräämästä

osoitteesta Excel-tiedoston. Aliohjelma etsii ensimmäisen solun ja tälle määritetyn aikaleiman. Tätä tarvitaan, jotta voidaan määrittää kuvaajan ensimmäisen pylvään paikka ja aika. Loput mittaustiedot ohjelma lukee Read From Spreadsheet file -funktion avulla. ReadMonths -aliohjelmasta luetaan haluttu tieto kuvaajalle. Kuvaajaan on määritetty PropertyNode -funktioilla XScale multiplier ja offset -funktiot. XScale multiplier määrää kuvaajalla aikapisteiden välit ja Offset ensimmäisen aikapisteen paikan. Xscale multiplyerin ollessa 86400 saadaan jokainen pylväs vuorokausien välein kuvaajaan. XScale offset määrittää näistä ensimmäisen pylvään paikan.

Kuukausittaisen energian kuvaajan piirto tapahtuu hyvin samalla lailla kuin vuorokausittaisen energian piirto. Ohjelma on sisäkkäisessä Flatsequence ja Case Structuressa. Rakenteessa ensimmäisenä suoritetaan Columnreader -aliohjelma, joka laskee vuorokautiset energiat yhteen. Tämän jälkeen laskettu tulos tallennetaan omaan tiedostoonsa Savemonths -aliohjelman avulla. Ja lopukuksi ReadYears -aliohjelman avulla piirretään kuvaaja puoli minuuttia ennen kuukauden päättymistä.

Tallennusvälin määrää Timer+s -aliohjelma. Aliohjelman toiminta on poikkeava verrattain edellisiin Timer -aliohjelmiin. Timer+s -aliohjelmassa toiminta ideana on siirtää kelloa eteenpäin. Tähän ratkaisuun päätyminen johtuu siitä, että kuukaudessa päivien määrä vaihtelee. Näin ollen tallentaminen edellisten Timer -aliohjelmien periaatteella ei toimisi, sillä kuukaudessa on erimäärä sekunteja. Nyt kun siirretään Timer+s -aliohjelman kelloa puoliminuuttia silloin, kun kuukausi vaihtuu, vaihtuu yhteenlaskettujen kuukausien, tuntien, minuuttien ja sekuntien summa nollaksi. Tämä mahdollistaa vertailu -funktiota apuna käyttäen arvon true eli 1 vielä samana päivänä tietokoneen kellon kanssa.

Pääohjelma tallentaa myös minuutin välein jatkuvaa dataa. Tätä dataa tallennetaan SaveDays -aliohjelman avulla omaan kansioonsa ja tiedostoonsa. Tiedoston tallennus sen takia että tätä dataa voidaan käsitellä tarvittaessa manuaalisesti.

7.4.4 Valikon toiminnot

Valikossa ovat selaa mittaushistoriaa -painike avaa aliohjelman HistoryReader.

HistoryReader -aliohjelmassa on oma pääikkuna ja kuvaajat vuorokautisista tehoista ja säteilyn intensiteetistä, vuorokautisista energioista ja kuukautisista energioista.

Aliohjelmassa voidaan Combobox -pudotusvalikoiden avulla selailla eri päivien tehoja ja intensiteettitietoja, vuorokautisia energiatietoja sekä kuukautisia energiatietoja.

Aliohjelman ohjelmakoodi koostuu ListFolder -funktioista, joilla voidaan luoda Combobox -pudotusvalikoita sekä jo ennalta mainituista ReadDays ja ReadMonths - aliohjelmista, joilla voidaan lukea tietoja Excel -tiedostoista. ListFolder -funktio lukee määrätyn polun päässä olevan kansion sisällön ja lisää sen Comboboxin sisälle.

WebCam -aliohjelma toimii siten, että painiketta painamalla ohjelma avaa webcam - kuvan aurinkopaneeleista käyttöliittymän yläkulmaan. Aliohjelman koodi perustuu DataSocket read -funktioon, jolla voidaan lukea määrätystä internet osoitteesta jpeg - kuva ja esittää se LabVIEW:issä

7.5 Virhetilanteet

LaSol -ohjelmaa on pyritty ohjelmoimaan mahdollisia virhetilanteita silmällä pitäen.

Erilaisia vikoja ja virhetilanteita voivat aiheuttaa laitteisto, sähkökatkokset ja tiedon siirto ja LaSol -ohjelman osaamaton käyttö. Vaikka kaikkia virhetilanteita ei

pystyttäisikään eliminoimaan, voidaan niitä kuitenkin minimoida.

LaSol -ohjelma mittaa sekunnin välein mittaustietoja FieldPoint -laitteistolta. Ohjelman yläkulmassa olevassa mittaukset lohkossa näkyy reaaliaikaisesti kaikki mitattavat suureet. Jos jostain syystä jännite tai virta tippuu nollaan, niin LaSol -ohjelma jää mittaamaan edellistä mittausarvoa. Tällöin virran ja jännitteen mittauksen Ledi - ohjelmassa menee päällä. Jos näin tapahtuu, täytyisi mahdollisimman nopeasti pystyä palauttamaan tiedonsiirtoyhteys.

LaSol -ohjelmalla ei pystytä myöskään eliminoimaan käyttäjästä johtuvia virhe- tilanteita. Tällaisiä tilanteita ovat ohjelman mittausten lukeminen Excel-tiedostoistaan

samaan aikaan, kun LaSol -ohjelma suorittaa mittausta. Tämä aiheuttaa ohjelman kaatumisen.

Kesä- ja talviaikaan siirtyminen aiheuttaa ohjelmassa virhetilanteen kuvaajiin.

Vuorokausittaisessa energiakäyrässä aiheutuu tunnin siirtymä ja kuukausittaiseen käyrään aiheutuu tunnin verran ylimääräisen energian kertymistä. Ylimääräisen

energian kertyminen tunnilla ei aiheuta suurta vaikutusta, sillä energian tuotto yöllä on hyvin pientä. Kuukausittaiseen energiantuottokäyrään tällä ei ole mitään vaikutusta.

8 Kalibrointi

Kalibrointi on toimenpide, jolla mitattava suure saadaan näyttämään taas todellista arvoa. Kalibroinnissa pyritään etsimään yhteys sovittuun vertailumittaan. Prosessi- suureita mitattaessa lähettimet tulee virittää ennen käyttöönottoa ja tietyin väliajoin.

Uudelleenvirityksen tarve riippuu pitkälti siitä, millainen mittaustyyppi tai mittauskohde on kyseessä. Kalibroinnin tuloksena pystytään esittämään mittaus tarkemmin ja samalla mittausvirhe saadaan mahdollisimman pieneksi. [22]

Kalibrointi voi olla lineaarinen tai epälineaarinen. Lineaarisissa mittauksissa kalibrointi saadaan suoritettua käyttämällä korjauskerrointa mittauksessa. Epälineaaristen

mittausten kalibrointi on hankalampaa, sillä esimerkiksi monet säteilynilmaisimet näyttävät pienillä laskentataajuuksilla oikeaa pulssimäärää, mutta laskentataajuuden kasvaessa yli lineaarisen alueen, ne näyttävät systemaattisesti liian pientä lukemaa. [22]

Aurinkopaneelijärjestelmän mittaukset ovat lähes lineaarisia, joten kalibrointi voidaan toteuttaa selvittämällä korjauskerroin mittauksiin.

8.1 Aurinkopaneelien jännitteen mittauksen kalibrointi

Aurinkopaneelijärjestelmän jännitteen mittaus suoritetaan jännitteenjaon avulla. Oikea mittausarvo saadaan jännitteenjakovastusten resistanssien suhteesta. Järjestelmässä käytetyissä vastuksissa (82 kohm ja 8,2 kohm) resistanssien toleranssiksi on ilmoitettu 5

%, joten oikea kerroin täytyy selvittää kalibroimalla mittaus.

Aurinkopaneelijärjestelmän jännitteen mittauksen kalibrointi toteutettiin käyttämällä APPA 109N yleismittaria ja LabVIEW ohjelmaa. Kalibroinnissa APPA 109N yleismittari oli kytkettynä tietokoneeseen ja ohjelmaan, joka kerää mittaustietoja.

APPA 109N yleismittarin tarkkuus mitattaessa tasajännitettä alueella 400,0 mV – 1000 V on +/-(0,06 %+10d) . Kalibrointi toteutettiin siten, että LabVIEW ohjelmalla ja APPA 109N yleismittarilta mitattiin jännite lukemia/tuloksia sekunnin välein puolen minuutin ajan aurinkopaneelien ollessa kytkettynä rinnan ja sen jälkeen sarjassa. Tämän jälkeen mittauksista laskettiin keskiarvo ja sen perusteella pystyttiin määrittämään

korjauskerroin mittaukseen.

Taulukko2. Jännitteenmittauksen kalibrointi.

APPA LabVIEW Kerroin

Jännite sarjassa 64,16 5,795 11,059 Jännite rinnan 39,14 3,539 11,072

Kalibrointikerroin 11,066

Taulukosta 2 nähdään APPA 109N ja LabVIEW ohjelmalla mitatut puolen minuutin keskiarvolukemat mittauksista. Mittaustulosten keskiarvosta saadaan kalibrointikerroin 11,066.

8.2 Aurinkopaneelien virran mittauksen kalibrointi

Virtamittausten kalibrointi käytetyssä aurinkopaneelijärjestelmässä voidaan toteuttaa kahdella eritavalla. Kalibrointi voidaan toteuttaa samalla järjestelyllä kuin jännitteen mittausten kalibrointi tai toisena vaihtoehtona säätämällä ja kalibroimalla

mittamuuntimet. Aurinkopaneelijärjestelmän virran mittauksen kalibrointi toteutettiin etsimällä oikea kalibrointikerroin samalla tavalla kuin jännitteen mittauksessa eli käyttämällä APPA 109N yleismittaria ja LabVIEW -ohjelmaa.

Kalibroinnissa mitattiin LabVIEW -ohjelmalla FieldPoint -laitteistolta mitattua

jännitettä skaalattuna valmiiksi laskemaan virtaa, eli mittamuuntimet ovat vahvistaneet signaalin ja muuttaneet tämän 1-5 V jänniteviestiksi. Samaan aikaan aurinkopaneelien tuottama virta mitattiin myös APPA 109N yleismittarilla. LabVIEW -ohjelmalla saadut jänniteviestit skaalattiin näyttämään virran suuruutta. Virtaa mitattiin puolen minuutin ajan ja mittaustuloksista laskettiin virran keskiarvo. Saadun virrankeskiarvon perusteella

määritettiin virranmittauksen skaalauksessa käytettävä kerroin. Kertoimet virran mittaukselle mittamuuntimelle UPAC on 2,49 ja EM-M11A mittamuuntimelle 2,42.

APPA 109N yleismittarin tarkkuus mitattaessa tasavirtaa alueella 40 mA – 10 A on +/- (0.2 %+40d).

9 Yhteenveto

Tämän insinöörityön tavoitteena oli kehittää Savonia-ammattikorkeakoulun Varkauden yksikön aurinkopaneelien testausjärjestelmää. Aurinkopaneelijärjestelmä oli myös uusittu modernimmaksi. Tarvittava mittauslaitteisto oli suurimmaksi osaksi valmiiksi asennettuna. Ainoa uusi toteutettu asia mittauslaitteiston osalta oli sopivaan jännitteen- jakoon perustuva aurinkopaneelien jännitteen mittaus.

Aurinkopaneelien testausjärjestelmää varten täytyi kehittää uusi tarkoitukseen sopiva mittausohjelma. Paras ohjelmisto National Instrumentsin FieldPoint -laitteiston mittauksille on samaisen valmistajan LabVIEW -ohjelmointiympäristö. Aurinko- paneelien mittauksiin oli aikaisemmin luotu sovellus LabVIEW -ohjelmisto versiolla 5 eikä tämä ole enää yhteensopiva käytettävään versioon 8.5. Koska aurinkopaneelijärjes- telmä oli paljon modernimpi, katsoin parhaimmaksi luoda ja kehittää täysin uuden mittaus- ja tiedonkeruuohjelmiston.

Tämän insinöörityön tuloksena kehitettiin National Instruments -laitteistolla jatkuva- toiminen aurinkopaneelien mittaus- ja testausjärjestelmä. Aurinkopaneelien mittaukseen ja tiedonkeruuseen luotiin ohjelma LabVIEW 8.5 -ohjelmointiympäristössä nimeltään LaSol. LaSol -ohjelma on helppokäyttöinen aurinkopaneelien mittausohjelma, joka ei vaadi käyttäjältä paljon kokemusta LabVIEW -ohjelmoinnista. LaSol -ohjelman tekemät kuvaajat esittävät aurinkopaneelien hetkellisen tehon ja auringonsäteilyn intensiteetin sekä vuorokausittaiset ja kuukausittaiset energiatuotot. LaSol -ohjelmaan mittaushistorian lukuun tehty HistoryReader -aliohjelma lukee vanhoja mittaustietoja.

Ohjelman avulla käyttäjän ei tarvitse hakea haluamiaan tietoa manuaalisesti Excel - tiedostoista. Myös LaSol -ohjelman näyttämä kamerakuva aurinkopaneeleilta on hyödyllinen, sillä kuvaa katsomalla voidaan todeta onko aurinkopaneeleiden päällä lunta tai muita roskia tai paistaako aurinko. Ainut ohjelmallinen heikkous on

HistoryReader -aliohjelman käynnistys sillä pääohjelma ei suostu ajamaan aliohjelmaa

ellei käyttöliittymästä ole selaa mittaushistoriaa -painike pohjassa. Tämä aiheuttaa sen että kun HistoryReader -aliohjelman haluaa sulkea, täytyy ensiksi käyttöliittymästä painaa selaa mittaushistoria painike pois päältä.

Aurinkopaneelien testausjärjestelmän kannalta on oleellista, että saadut mittaustiedot pysytään tallentamaan myöhempää analysointia ja tarkastelua varten. LaSol -ohjelma tallentaa mittaustietoja 5 minuutin välein Excel-tiedostoihin. Ohjelma osaa laskea vuorokauden ja kuukauden aikana tuotetut energiat automaattisesti vuorokauden tai kuukauden vaihduttua. Ohjelmisto on suunniteltu silmälläpitäen mahdollisia

häiriötilanteita. Jos FieldPoint -laitteistolta katkeaa mittaukset niin LaSol -ohjelma jää tallentamaan muistiin edellistä mittausta. Ainoa merkittävä virhetilanne on sähkökatkos, joka sammuttaa tietokoneen, jossa LaSol -ohjelma on käynnissä. Tämäkin virhetilanne pystytään eliminoimaan UPS – laiteella (United Pacel Service), joka takaa virran syötön tietokoneelle sähkökatkosten aikana.

Suurimmat ongelmat mittauksissa aiheutti jännitteenjakokytkennät silloin, kun aurinko- paneelit on kytketty rinnan tai sarjaan. Tämä johti mittausten kannalta FieldPoint 1601 Ethernet -moduulin hajoamiseen. Lopullinen syy ei johtunut kytkennässä vaan tietä- mättömyydestä FieldPoint -moduulien sisäisestä rakenteesta, sillä kaikilla moduulien tuloilla oli yhteinen maapotentiaali. Hajonnut FieldPoint Ethernet -moduuli korvattiin versiota vanhemmalla FieldPoint 1600 Ethernet -moduulilla. Alkuperäinen tarkoitus oli saada mitattua molempien aurinkopaneeliparien jännitteet ja virrat erikseen. Sarjaan kytkettynä paneeliparien lävitse kulkee sama virta mutta pareilla on eri jännitteet.

Rinnan kytkettyinä aurinkopaneeli pareilla on samat jännitteet, mutta eri virrat. Tällä hetkellä jännitteenmittaus mittaa koko aurinkopaneelijärjestelmän yli olevaa jännitettä.

Tämä heikentää aurinkopaneelien vertailua niiden ollessa kytketynä sarjaan.

LabVIEW -ohjelmointiympäristö antoi omat ongelmat ja haasteensa, sillä ohjelmoi- dessani LaSol -mittaus ja testausohjelmaa huomasin joitakin ns. bugeja eli virheitä LabVIEW -ohjelmointiympäristöstä. Esimerkiksi tehdessäni jostakin mittauksesta Local Variable -muuttujan ja tätä arvoa tallentaessani Shift Registeriin LabVIEW ei kyennyt enää toteuttamaan haluttua toimintoa oikein. Ongelma sinänsä on pieni mutta tekee ohjelma koodista huomattavasti epäselvemmän näköisen. Mielestäni myös LabVIEW - ohjelman kuvaajien esittämiseen tarkoitetut työkalut ovat vähintäänkin puutteellisia, jos haluttaisiin esittää jatkuvatoimisia mittauksia selkeästi. Esimerkiksi, jos haluttaisiin